Вклад корневых эксудатов в эмиссию СО2 и доступность азота в лесных почвах: имитационные оценки с использованием алгоритма, учитывающего эффекты прайминга и почвенных трофических сетей
Исследования вклада лесных почв в депонирование углерода и эмиссию СО2 не теряют своей актуальности. В том числе, в рамках анализа эффективности климатических проектов возрастает значение модельных оценок соотношения этих потоков для разных типов почв, лесообразующих пород и планируемых сценариев лесопользования.
В почвенных моделях динамики органического вещества (ОВ), как правило, рассматривается поступление основных фракций поверхностного опада (листвы/хвои, ветвей, коры) и внутрипочвенного отпада тонких корней. Но известно, что в процессе роста растений в почву поступает значительное количество прижизненных корневых выделений – ризодепозитов (Jones et al., 2009). В их число входят корневые эксудаты, на долю которых по разным оценкам приходится от 1 до 12% NPP (Grayston et al., 1996; Phillips et al. 2008). С поступлением в почву ризодепозитов связывают прайминг-эффект (Kuzyakov, 2002), который проявляется в возрастании почвенной эмиссии СО2 за счет ускорения минерализации ОВ почв микроорганизмами (МО). Для лесных почв исследования вклада прайминг-эффекта в эмиссию СО2 единичны.
Цель данной работы – оценка возможного вклада ризосферного прайминг-эффекта в эмиссию СО2 лесными почвами на основе методов имитационного моделирования, что позволяет учесть различные сценарии почвенно-растительных условий. Помимо образования СО2, связанного с прайминг-эффектом, в имитационных оценках учитывались процессы трансформации ОВ в почвенных пищевых сетях (Komarov et al., 2017).
В расчетах использован алгоритм (Chertov et al., 2021), в котором рассматриваются следующие сопряженные процессы: (1) рост биомассы ризосферных МО за счет легкодоступных С и N корневых эксудатов; (2) дополнительный рост биомассы МО за счет не обеспеченного азотом «остаточного» С эксудатов и легкодоступного N, получаемого в результате процесса «добычи азота» (nitrogen mining) из ОВ ризосферной почвы; (3) потребление биомассы МО фауной почвенных пищевых сетей с последующим формированием экскрементов и мортмассы, возвращающихся в ОВ почвы, а также доступного корням растений аммония жидких экскретов простейших и нематод.
Количественные оценки выполнены для ризосферной части горизонта Ah дерново-подзолистой суглинистой почвы под хвойно-лиственными насаждениями. Использованы экспериментальные данные одного из участков Гришкинской дачи Лисинского учебного лесничества в Ленинградской области (Чертов и др., 2011). Рассмотрены 2 сценария поступления корневых эксудатов – 15 и 3 мг [C] м-2 в месяц, соответствующие экспериментальным данным из работ (Phillips et al. 2008; Bengtson et al. 2012).
Результаты. Модельные расчеты показали, что интенсивность процессов микробного дыхания в ризосферной части почвы, на долю которой приходится 1.3% C всего горизонта Ah, сопоставима c показателями минерализации ОВ во всем горизонте. В зависимости от количества поступающих эксудатов, эмиссия СО2, связанная с прайминг-эффектом, составляет 16 и 4.2 г [C] м-2 в месяц, а для всего горизонта Ah – 37.0 г [C] м-2 в месяц. В отсутствие прайминг-эффекта, минерализация ОВ ризосферной части почвы не превышает 0.5 г [C] м-2 в месяц. Количество почвенного С, минерализованного в результате процесса «добычи азота» достигает 16–28% от поступающего с эксудатами.
При максимуме эксудатов, процесс «добычи азота» из ОВ ризосферной почвы определяет доступность микроорганизмам дополнительно 0.19 г [N] м-2 в месяц, что лишь вдвое меньше количества азота в корневых эксудатах (0.38 г [N] м-2 в месяц). Суммарное количество доступного азота, образующегося в процессах, связанных с ризосферным прайминг-эффектом, может достигать 9-44% от количества N, образующегося при минерализации всего горизонта, которое для рассматриваемой почвы оценивается в 2.05 г [N] м-2 в месяц.
Полученные оценки отражают важность целевой функции ризосферного прайминг-эффекта для системы «растение – микроорганизмы – почвенная фауна – ОВ почв», которая проявляется в ускорении почвенных циклов C и N.
